【儀表網 儀表研發(fā)】導讀：有時，材料的特性(例如磁性和催化作用)可能會由于其原子之間的間隔發(fā)生微小變化而發(fā)生劇烈變化，這在材料科學的術語中通常稱為“局部應變”。因此，對這種局部應變的精確測量對于材料科學家來說非常重要。
用于此目的的一項強大技術是“高角度環(huán)形暗場成像”(HAADF)，這是一種掃描透射電子顯微鏡(一種用于繪制材料內原子位置的技術)中的方法，它產生的圖像具有理論上的亮點與原子位置一致。然而，在實踐中，由于設備中的機械和電氣噪聲，HAADF 圖像經常失真，將最小的可測量局部應變限制為略高于 1%。
現在，由日本高級科學技術研究所 (JAIST) 助理教授 Kohei Aso 領導的一組科學家利用數據科學領域的方法更準確地測量材料中的應變分布，提高了 HAADF 的精度成像。這項研究發(fā)表在 ACS Nano 上，是與日本九州大學的 JAIST 教授 Yoshifumi Oshima、當時的研究生 Jens Maebe、博士后研究員 Xua Quy Tran、助理教授 Tomokazu Yamamoto 和 Syo Matsumura 教授合作進行的。
該團隊將 HAADF 成像與高斯過程回歸 (GPR) 相結合，這是一種常用于機器學習以及經濟學和地質學等領域的數據處理技術。在高斯過程中，假設數據的真實狀態(tài)(在這種情況下，原子位置或位移)由平滑函數表示，并且在觀察數據時將隨機噪聲添加到該“真實狀態(tài)”中。通過 GPR 逆轉這一過程，人們可以更準確地估計原子的真實位置，從而更精確地計算局部應變。具體來說，所提出的方法使團隊能夠以 0.2% 的精度測量應變。
該團隊通過測量金納米結構中的局部應變并將金納米球中的拉伸應變與不同長度的金納米棒(基本上是帶有半球帽的圓柱體)中的拉伸應變進行比較，證明了他們方法的潛力。這些比較表明，金納米粒子中的應變分布根據它們的形狀而變化，納米棒在曲率突然變化的區(qū)域附近表現出約 0.5% 的拉伸應變。
Aso 博士解釋了這些特定實驗背后的動機，球形金納米粒子在其整個表面受到均勻的應力，這種應力與表面張力成正比。因此，在垂直于表面的方向上發(fā)生均勻的壓縮應變。相比之下，在金納米棒中，應力應用到表面變得不均勻，科學家們推測拉伸應變應該發(fā)生在某些地方。然而，直到現在，這還沒有通過實驗得到證實。
有了這些發(fā)現，該團隊對其應變測量策略的未來前景感到興奮。我們的技術將提供有關原子世界的詳細信息，這對于開發(fā)具有高性能和小尺寸的創(chuàng)新材料和設備是必要的。這可能有助于開發(fā)采用納米級材料和結構的設備和傳感器。此外，該方法不需要昂貴的修改或復雜的程序，可以很容易地采用，麻生博士說。
有一件事是肯定的：我們現在可以更好地理解和操縱原子世界！
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